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广义相对论和量子力学到底有什么矛盾?爱因斯坦半辈子也没能解决

2024-11-05科学

跨越半个世纪的科学天际,乌云密布,其中笼罩的是人类对宇宙的理解之惑。难题的焦点在于,我们所掌握的宇宙知识基于两套截然不同的理论体系。

其一是爱因斯坦提出的广义相对论,用以解释天际中浩瀚星球与星系这类巨大天体的运行。而另一方面,掌控着微观世界的,是另一个全然相异的法则——量子力学,负责描绘原子,甚至是更为微小的亚原子粒子的行为。

尽管各自在各自的范畴内,这两套理论都展示出了惊人的准确性,但一旦尝试将二者融合,以揭示宇宙深层的神秘面纱,困难和矛盾便随之而生。

拿宇宙的黎明为例,亦即所谓的大爆炸时刻,宇宙从一个极小的奇点迸发而出,随后经过约140亿年的膨胀和冷却,逐渐形成了星辰、星系以及围绕它们运转的行星。

如果我们逆着时间的长河,将分裂的万物回溯至其来源,我们将会目睹宇宙不断地收缩、升温以及密度的增大,最终,一切将返回到时间的起点,抵达大爆炸的那一刻——一个宇宙质量无穷大、体积无穷小,时间也停滞不前的奇异点。

正是在这种极限的交汇处,广义相对论和量子力学似乎要分道扬镳了。但假若我们尝试将量子力学与广义相对论融为一体,再次审视宇宙诞生的过程,将会有怎样的景观呢?

当我们从宏观的视角描绘宇宙时,便会引用爱因斯坦的广义相对论,它揭示了引力的运作机制。在这个理论里,宇宙仿佛一个巨大的蹦床,平滑而延展,其中的巨大质量如恒星和行星等天体扭曲了周围的时空,造成了我们所感知的引力。

换言之,维持地球环绕太阳之舞的引力,不过是地球在太阳所制造的特殊时空波纹上所作的奇妙舞蹈。然而,广义相对论所预言的这幅平滑起伏的宇宙画卷,并不是宇宙的全部面貌。

若要从极其微观的角度探索宇宙,我们必须转向量子力学的法则。量子力学为我们展开的画卷与广义相对论所描述的截然不同,仿佛它们代表的是两个彻底分隔的宇宙。

为了洞悉广义相对论与量子力学的冲突,我们必须缩小自己的视野,进入微观粒子的世界,在那里,曾经熟悉的、可预知的宇宙图景将逐渐被一个不确定、充满可能的世界所取代。

如果我们继续缩小尺度,直至尺寸比原子中的微观粒子更小,量子力学会告诉我们,在这样的尺度下,空间结构将呈现波动且混乱的景象,一个嘈杂而不合逻辑的世界。

在那个世界中,时间和空间的概念被扭曲至无法辨认,通常意义上的上下、左右甚至时间的先后顺序都变得模糊不清。在那个奇异的领域,你无法确定自己是处于A点或B点,或是同时存在于两者之间,又或者在你抵达之前,你的存在已经穿越了时间的边界。

不可争辩的是,不论是量子力学还是广义相对论,它们都在现代社会中施展着各自的魔法。相比之下,量子力学对于大众来说可能较为陌生,甚至连爱因斯坦在其一生中都未能成功将它与广义相对论融为一体。然而,量子力学的应用已经深入我们日常生活的方方面面,从普通的电灯泡到复杂的电子产品,再到尖端的量子通信技术,或许它将引领人类进入下一个科技革新的时代。